JP5211115B2 - ガスエンジンの給気冷却器のドレン装置 - Google Patents

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Description

本発明は、天然ガスやバイオガス、又は炭鉱坑内等から排出されるメタン含有ガスを吸気ガスや燃料として有効活用するガスエンジンのドレン装置に関する。
メタンCHや二酸化炭素CO等の温室効果ガスの排出規制に対する世論の関心は、年々高まっている。特に、メタンCHは二酸化炭素COの21倍の温室効果があり、メタンCHの大気中への放出は無視できない。一方、石炭の採掘時には、炭鉱坑内から石炭1トンあたり10〜40Nm(純メタン換算)の多量のメタンCHが大気に放出されている。
炭鉱坑内から排出されるメタンCH含有ガスは、石灰層中に混在し、保安のためにガス抜きボーリング孔から真空ポンプで回収する回収メタン含有ガスCMM(Coal Mine Methane。メタン濃度30〜50重量%)と、坑道及び切羽から換気のために排出される換気メタン含有ガスVAM(Ventilation Air Methane。メタン濃度0.3〜0.7重量%)とがある。
そのため、炭鉱坑内にて発生するメタン含有ガスを大気に放出することなく有効活用することは、社会的かつ経済的貢献が極めて大きい。
特許文献1には、ゴミの埋立処分場で発生するランドフィルガスや、前記炭鉱排出ガス
等のように、メタン濃度が可燃限界より低いガスを燃料として利用可能にしたガスタービンが開示されている。
特許文献2には、炭鉱坑内から排出されるメタン含有ガスを燃料として用いる発電用ガスエンジンが開示されている。特許文献2の図5に対し、坑内状況の概要を詳細に開示したガスエンジン発電設備を添付の図4に基づいて説明する。
図4は、炭鉱坑内と炭鉱坑内の近傍に設けられたガスエンジン発電設備200を模式的に示す。図4において、炭鉱坑内は、炭層Cと採掘炭層Cとが層状に形成されている。
炭鉱坑内と外部とを連通する換気孔206が設けられている。
炭鉱坑内坑内の切羽204で、採掘炭層Cにガス抜きボーリング穴208が穿設され、ガス抜きボーリング孔208から排出されるメタン含有ガスCMMは、換気孔206内に配設された管路210から真空ポンプ211によってガスエンジン発電設備200に送られる。
また、炭鉱坑内から喚起孔206を通して排出される換気メタン含有ガスVAMは、管路212を通ってガスエンジン発電設備200に送られる。ガスエンジン発電設備200が稼動して生じた電力E及び蒸気Sは、炭鉱坑内ユーティリティ設備202又は、その他の需要先に送られている。
特開2010−19247号公報 米国特許出願公開第2005/0205022号明細書
メタンガスを燃料とするガスエンジンは、燃焼後の排出物が水HOと二酸化炭素COしかないため、環境汚染が極めて少ないという長所を有し、今後広く普及することが期待される内燃機関である。
メタンガス等の低カロリーガスを燃料として使用する場合、各気筒に設けられた燃料ガス供給用電磁弁からの燃料供給量では不足するため、給気系統で不足分を補う必要がある。この不足分の燃料ガス補給を過給機の前で行う所謂、過給機前予混合と言われることが行われている。
そのため、燃料ガスを混合された予混合ガスは過給機で加圧され後に、給気冷却器で冷却され、給気中に含まれている水蒸気が凝縮して水滴となる。この水滴を排出するために予混合ガスの一部が水滴と伴にドレンとして排出される。
ところが、既述のとおり、メタンCHは二酸化炭素COの21倍の温室効果があると共に、加圧された予混合ガスが排出されるので内燃機関における過給効率及び、熱機関効率の低下をまねく。
本発明は、かかる従来技術の課題に鑑み、低カロリーガスをガスエンジンの燃料として使用する場合に、ドレンと伴に排出された予混合ガスが凝縮点以下の圧力になる容量を有した容器中で気液分離を行い、水分は外部に排出すると共に、燃料ガスは再度給気系に戻すことにより、給気ドレン中に含まれる燃料ガスの再利用による機関熱効率の向上と、有害ガスの大気放出の削減を図ることを目的とする。
本発明はかかる目的を達成するもので、ガスを燃料とするガスエンジンへの給気を加圧する過給機の給気系上流側にて燃料ガスを空気に混合して予混合ガスを生成する過給機前予混合装置を備えた前記ガスエンジンの給気冷却器のドレン装置において、前記過給機の給気系下流側に位置し、前記過給機にて加圧された前記予混合ガスを冷却すると共に、前記予混合ガスの冷却に伴い凝縮する凝縮水を排出するドレンバルブを有した給気冷却器と、前記ドレンバルブに第1導管を介して接続して、前記凝縮水と伴に排出される前記予混合ガスを前記凝縮水から分離する気液分離装置と、該気液分離装置にて分離された前記予混合ガスが第2導管を介して前記過給機の給気系上流側に流入されるようにしたことを特徴とする。
本発明装置によれば、燃料ガスが予混合された予混合ガスを凝縮水と伴に大気中に排出させないで、予混合ガスと凝縮水とを分離して、予混合ガスを過給機の給気系上流側に流入させる構造としたので、燃料ガスの機関熱効率が向上する。
更には、未燃焼の燃料ガスが大気中に放出されないので、大気汚染防止効果を有する。
また、本願発明において好ましくは、前記燃料ガスは空気より比重が小さい燃料であって、前記気液分離装置は前記凝縮水に伴って排出される前記予混合ガスが大気圧又はそれに近い圧力に開放される容量を有すると共に、上部に前記予混合ガスを捕集する捕集部を備えているとよい。
このような構成にすることにより、予混合ガスを大気圧又は、それに近い圧力に開放されるので、予混合ガスの気液分離が促進され、給気系に燃料ガスと伴に戻される予混合ガスからの凝縮水がなくなり、給気系を構成する部材の腐食を防止できる効果を有している。
また、本願発明において好ましくは、前記過給機の上流側に配置された第1給気温度センサにて検知された前記予混合ガスの過給機吸込み温度(Tsuc)と、前記給気冷却器出口側に配設された第2給気温度センサ及び、給気圧力センサにて検知された前記予混合ガスの給気温度(Ts)と、給気圧力(Ps)とに基づいて、前記ドレンバルブを開閉制御するドレンバルブ制御手段を備えるとよい。
このような構成にすることにより、給気冷却器内で凝縮水が生じない時にはドレンバルブを閉じることで、不要な予混合ガスの排出を防止して、ガスエンジンへの過給効率の減少を最小限に抑制可能になる。
また、本願発明において好ましくは、前記ドレンバルブ制御手段は前記給気冷却器出口側の給気温度(Ts)及び、前記給気圧力(Ps)を前記給気冷却器及び、前記過給機によって一定に制御すると共に、該一定の前記給気温度(Ts)及び、前記給気圧力(Ps)時において、前記給気冷却器出口側での予混合ガスの相対湿度が100%となる場合の過給機側での予混合ガスの基準吸込み温度(Tstd)をマップに基づいて算出し、該算出した基準吸込み温度(Tstd)に対し、実際に検出された前記吸込み温度(Tsuc)の検出値が低い場合には、前記ドレンバルブを閉止状態に維持するドレンバルブ制御手段を備えるとよい。
このような構成にすることにより、過給機側での予混合ガスの基準吸込み温度(Tstd)をマップに基づいて算出し、該算出した基準吸込み温度(Tstd)に対し、実際に検出された前記吸込み温度(Tsuc)の検出値が低い場合には、ドレンバルブの開閉を制御することでガスエンジンへの過給効率の低下を最小限に抑制効果になる。
また、本願発明において好ましくは、前記気液分離装置の前記捕集部は前記過給機の給気系上流側の給気路形成部材に対し重力方向下側に位置させるとよい。
このような構成にすることにより、燃料ガスが空気より比重が小さいので、気液分離装置で予混合ガスが分離され、更に、燃料ガスが上方へ分離されるので、分離された燃料ガスが給気路形成部材の給気路に自然に流入していくので、装置の簡素化が図れ、コスト軽減効果を有する。
本発明によれば、給気冷却器で凝縮された凝縮水に伴って排出される燃料ガスを含んだ給気から、燃料ガスと水分とを分離させて、燃料ガスは給気系に戻すと共に、水分は大気に放出することにより、分離した燃料ガスの分、機関熱効率が向上する一方、未燃料ガスが大気に放出されないので、大気汚染の防止効果を向上させることができる。
更に、給気冷却器のドレンバルブの開閉を制御することにより、加圧された予混合ガスの排出タイミングを少なくすることにより、ガスエンジンへの過給効率低下を抑制できる効果を有している。
図1は本発明の実施形態にかかるガスエンジンの概略構成図を示す。 図2は本発明の実施形態にかかるドレンバルブ開閉制御マップで、(A)は給気圧力Psに対する給気露点温度Tsと絶対湿度Shの関係を示し、(B)は相対湿度に対する絶対湿度g/kgと過給機側での基準吸込み温度(Tstd)との関係を示す。 図3は本発明の実施形態にかかるドレンバルブ開閉制御フロー図を示す。 図4は従来技術の説明図を示す。
以下、本発明を図に示した実施形態を用いて詳細に説明する。
但し、この実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは特に特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
本発明にかかるガスエンジンの実施形態を図1〜図3に基づいて説明する。
本実施形態の発電用ガスエンジン1は炭鉱近傍に配設され、燃料ガス及び、給気ガスとして炭鉱構内から排出されるメタン含有ガスを用いる。図1において、発電用ガスエンジン1(以後ガスエンジン1と記載する)の出力軸15には発電機10が連結されている。
ガスエンジン1に接続されている吸気経路形成部材である給気管6の給気系上流側にはオイルバス式フィルタ61が配設されている。オイルバス式フィルタ61には炭鉱構内から排出される坑道及び切羽から換気のために排出される換気メタン含有ガスVAMと外気が導入される。オイルバス式フィルタ61はスチール繊維を綿状にして、オイルを含浸させたもので、主に埃等を除去する。
給気管6の中間部で過給機3の上流側にはガスミキサー5が介装されている。ガスミキサー5はオイルバス式フィルタ61からの給気に燃料ガスを過給機3の上流側で混合して予混合ガスを生成する所謂、過給機前予混合装置である。
これは、低カロリーガスを燃料とする場合に、ガスエンジン1に直接ガス燃料を供給するだけでは所望燃料量に不足が生じるために行われる。
また、ガスミキサー5への燃料ガス供給は後述するガスエンジン1への燃料ガス供給管92から分岐した予混合配管53によって行われる。52は燃料ガスの流量計であり、流量計52の検出結果を制御装置2へ送信される。その結果に基づいてガスミキサー5へのガス供給量を制御装置2によってミキサーバルブ51への流量調整を行っている。
吸気管6の吸気系下流側にはガスエンジン1の集合排気管17から排出される排気ガスによって排気タービン32を駆動して、排気タービン32と同軸的に連結され、給気管6の予混合ガスを加圧するコンプレッサ31を有した過給機3が配設されている。
また、給気管6のガスミキサー5と過給機3との間には予混合ガスの温度を測定する第1給気温度センサ11(Tsuc)が配設されている。第1給気温度センサ11(Tsuc)にて検出された検出値は制御装置2へ送信している。該検出値は後述するドレンバルブ81の制御要素として使用する。34は排気集合管17からの排気ガスを排気タービン32に対してバイパスさせる排気ガスバイパス管33に配設され、制御装置2により作動する排気ガス流量調整バルブである。排気ガス流量調整バルブ34は排気タービン32への排気ガス流量調整を行いコンプレッサ31の加圧調整を行う。
過給機3の給気系下流側には、過給機3にて加圧された予混合ガスを冷却する給気冷却器4が配設されている。予混合ガスに含まれていた水蒸気は給気冷却器4による冷却にともない凝縮して水滴となり、給気冷却器4のドレンバルブ81から第1導管であるドレン配管42を介して気液分離装置7に導かれる。給気冷却器4は予混合ガスを冷却することにより、気体密度を高くしてガスエンジン1の出力向上を図ると共に、予混合ガス中の水蒸気を凝縮させて除去することにより、給気系を形成している各部材の防錆を抑制している。
給気冷却器4の給気系下流側には、ガスエンジン1の各気筒に連結された枝管を有し、予混合ガスを各気筒内に導入する給気マニホールド16が連結されている。給気マニホールド16には給気冷却器4から導入される予混合ガスの給気温度Tsを検出して、該検出値を制御装置2へ送信している第2給気温度センサ12と、給気圧力Psを検出して、該検出値を制御装置2へ送信している給気圧力センサ13とが配設されている。該夫々の検出値は後述するドレン制御バルブ8の制御要素として使用する。
燃料ガス供給管92の上流側に配置されているストレーナ91は、燃料ガスであるメタン含有ガスCMM(Coal Mine Methane。メタン濃度30〜50重量%)に含まれている埃、水蒸気等を除去する第一次除去装置である。ストレーナ91を通過した燃料ガスは第二次除去装置である燃料デミスター9にて再度、液体微粒子(ミスト)を燃料ガスから分離する。
二重に浄化装置を配設するのは、炭鉱から排出される燃料ガスには多くの埃、水蒸気等が混入されており、燃料ガス中の不純物を除去してガスエンジン1への悪影響を除去するためである。
燃料デミスター9を通過した燃料ガスの一部は燃料ガス供給管92から分岐した予混合
配管53によってガスミキサー5へ燃料ガスの供給を行い、既述の過給機前予混合を行う。
燃料ガスの大部分は燃料ガス供給管92を介してガスエンジン1の各気筒に供給される。
制御装置2は、燃料ガス供給管92に配設された燃料ガスの流量を検知する燃料ガス流量計93の検出値に基づいて、燃料ガスの圧力を調整する調圧弁14とガスエンジン1の気筒毎に配設されたガス供給電磁弁18を制御して、各気筒へ流入させる燃料ガス流量を調整している。
給気冷却器4の下部には凝縮されたドレン(水分)を給気冷却器4の外部に排出するドレンバルブ81が装着されている。
ドレン制御手段8は、給気冷却器4の底部に取付けられたドレンバルブ81、ドレンと予混合ガスとを分離する気液分離装置7、ドレンバルブ81と気液分離装置7とを連通する第1導管であるドレン配管42、分離された燃料ガスを給気管6に戻す第2導管である戻し配管73、第1給気温度センサ11、第2給気温度センサ12、給気圧力センサ13及び、ドレンバルブ81を開閉制御するマップを備えた制御装置2で構成されている。
給気冷却器4のドレンバルブ81を通過したドレンと加圧された予混合ガスはドレン配管42を介して気液分離装置7に導入される。
気液分離装置7は加圧された予混合ガスが大気圧又は、それに近い圧力に戻ることができる容量の空間71を有しており、予混合ガスの圧力が下がることにより給気中に含まれていた水蒸気が凝縮して予混合ガスから水分が分離される。
更に、気液分離装置7の上部には円錐状の空間を有した燃料ガス収集部72が配設されている。予混合ガス中に含まれていたメタンガスを収集するためのものである。メタンガスは比重が空気より小さいので、気液分離装置7内にて空気から分離してメタンガスだけが上方(燃料ガス収集部72)に集まる。燃料ガス収集部72の円錐状の頂部には、一端が該頂部に開口し、他端が給気管6のガスミキサー5とオイルバス式フィルタ61との中間部に開口した第2導管である戻し管73が配設されている。
また、気液分離装置7の燃料ガス収集部72の位置は戻し管73の他端より重力方向において下側になるように配置されている。その結果、燃料ガス収集部72に収集されたメタンガスと一部の空気は上昇して自然に給気管6内に導入され、燃料として使用されるので、その分機関熱効率が向上する。
尚、気液分離装置7内の他の空気は気液分離装置7に溜まったドレンと伴に大気中に排出される。
更に、燃料ガスが給気管に自然に導入されるので、装置としてのコスト上昇を抑制できる効果を有すると共に、メタンガスを大気に放出しないので温室効果が防止される。
図2は本実施形態にかかるドレンバルブ開閉制御マップの一例を示す。
ドレンバルブ開閉制御マップは図2(A)は給気圧力Psに対し、縦軸に給気露点温度Ts(給気温度)、横軸に絶対湿度Sh(含有水蒸気量g/kg)を示し、給気圧力Psに対する給気露点温度Tsと絶対湿度Shの関係を示したものである。
給気冷却器出口側の給気温度Ts及び、給気圧力Psは給気冷却器4及び、過給機3を制御装置2によって一定(ガスエンジン出力)に制御される。
また、予混合ガスは給気冷却器4で冷却されて、余分の水蒸気は凝縮され排除されているので、測定された給気温度Tsと給気圧力Psの状態において、予混合ガス中の水蒸気は凝縮しない状態(相対湿度は100%)となっており、給気温度Ts=給気露点温度Tsと置き換えられる。
また、図2(B)は横軸に絶対湿度Sh(含有水蒸気量)g/kg、縦軸に過給機3が吸込む基準吸込み温度Tstd(乾球温度)を示し、相対湿度に対する絶対湿度g/kgと過給機側での基準吸込み温度(Tstd)との関係を示したものである。
本マップは過給機3及び給気冷却器4の性能に基づいて、本実施形態におけるガスエンジン1の試験結果により求めたものである。
例えば、図2において、給気温度Ts=40℃、給気圧力Ps=2kg/cm(一定に制御)の場合、相対湿度100%時の過給機3の基準吸い込み温度Tstdが22度となる。従って、過給機4が吸込む実際の給気温度Tsuc≦基準吸込み温度の場合には絶対湿度Shが小さくなる方向なので、過給機4が吸込んだ予混合ガスは給気冷却器4出口側において含まれている水蒸気は凝縮しないことになる。
言替えると、過給機3に吸込まれる予混合ガスの温度が22℃、相対湿度100%であれば、給気冷却器4通過後の給気温度Tsが40℃、給気圧力Psが2kg/cmに維持され、予混合ガスは給気露点温度Tsと同じなので、過給機3に吸込まれる予混合ガスの温度(給気温度Tsuc)が22℃以下の場合、絶対湿度が小さくなるので、予混合ガスに含まれている水蒸気は給気冷却器4の中で凝縮しないことになる。
従って、ドレンが発生しないので、ドレンバルブ81は閉状態を維持することにより、予混合ガスがドレンと伴に給気冷却器4から排出されないので、ガスエンジン1への過給効率低下を防止できる。
図3に基づいて制御フローを説明する。
ステップS1からスタートして、ステップS2において予混合ガスの給気冷却器4通過後の給気温度Ts(エンジン前)を第2給気温度センサ12にて検知する。ステップS3において予混合ガスの給気冷却器通過後の給気圧力Ps(エンジン前)を給気圧力センサ13にて検知する。ステップS4にて過給機3の予混合ガス吸込み前の給気温度(Tsuc)を第1給気温度センサ11にて検知する。
ステップS5において給気温度(Ts)及び給気圧力(Ps)から絶対湿度(Sh)をマップから算出する。〔図2(A)〕
ステップS6において、ステップS5で算出された絶対湿度(Sh)において相対湿度(Rh)が100%の時の基準吸い込み温度(Tstd)をマップから算出する。〔図2(B)〕
ステップS7において、ステップS4で検知した給気温度(Tsuc)≦基準吸込み温度(Tstd)を比較する。
Yesの場合はYに進み、ステップS8にてドレンバルブVdは閉止を維持し、ステップS10でリターンする。一方、Noの場合はNに進み、ステップS9にてドレンバルブVdはドレン(凝縮水)を気液分離装置7へ定期的に排出する動作になり、ステップS10でリターンする。
本発明の実施形態においては、給気冷却器4及び気液分離装置7によって、予混合ガスに含まれている燃料ガス(メタン)と、凝縮水とを分離して、燃料ガス(メタン)を過給機の給気系上流側に流入させると共に、凝縮水は気液分離装置7から大気中に排出させる構造としたので、燃料ガスの機関熱効率を向上させることができると共に、未燃焼のメタンガスが大気中に放出されないので、大気汚染抑制効果が得られる。
凝縮水は気液分離装置7から大気中に排出させるため、吸気系路を形成する部材の腐食防止効果を有する。
更に、ドレン開時、凝縮水に伴って加圧された予混合ガスの排出を伴うので、過給機3の吸込み温度(Tsuc)と、給気冷却器4の出口側の給気温度(Ts)と、給気圧力(Ps)とに基づき、一定の条件下において、吸込み温度(Tsuc)がある閾値(規準吸込み温度Tstd)より低い場合にはドレン(凝縮水)の生成がないので、ドレン装置のドレンバルブを閉状態に維持するように制御するドレンバルブ制御手段を備え、加圧された予混合ガスの排出を抑制してガスエンジンへの過給効率の減少を最小限にする。
低カロリーガスを燃料として、燃料の一部を予混合する過給機前予混合装置を有するガスエンジンのドレン装置による過給効率低下抑制と、ドレンに含まれる燃料ガスの回収による燃料効率改善を図るガスエンジンに適用できる。
1 ガスエンジン
2 制御装置
3 過給機
4 給気冷却器
5 ガスミキサー
6 吸気管
7 気液分離装置
8 ドレン制御手段
11 第1給気温度センサ
12 第2給気温度センサ
13 給気圧力センサ
14 調圧弁
16 給気マニホールド
17 集合排気管
18 ガス供給電磁弁
31 コンプレッサ
32 排気タービン
42 ドレン配管(第1導管)
51 ミキサーバルブ
61 オイルバス式フィルタ
73 戻し管(第2導管)
81 ドレンバルブ

Claims (5)

  1. ガスを燃料とするガスエンジンへの給気を加圧する過給機の給気系上流側にて燃料ガスを空気に混合して予混合ガスを生成する過給機前予混合装置を備えた前記ガスエンジンのドレン装置において、前記過給機の給気系下流側に位置し、前記過給機にて加圧された前記予混合ガスを冷却すると共に、前記予混合ガスの冷却に伴い凝縮する凝縮水を排出するドレンバルブを有した給気冷却器と、前記ドレンバルブに第1導管を介して接続し、前記凝縮水と伴に排出される前記予混合ガスを前記凝縮水から分離する気液分離装置と、該気液分離装置にて分離された前記予混合ガスが第2導管を介して前記過給機の給気系上流側に流入されるようにしたことを特徴とするガスエンジンの給気冷却器のドレン装置。
  2. 前記燃料ガスは空気より比重が小さい燃料であって、前記気液分離装置は前記凝縮水に伴って排出される前記予混合ガスが大気圧又は、それに近い圧力に開放される容量を有すると共に、上部に前記予混合ガスを捕集する捕集部を備えていることを特徴とする請求項1記載のガスエンジンの給気冷却器のドレン装置。
  3. 前記過給機の上流側に配置された第1給気温度センサにて検知された前記予混合ガスの過給機吸込み温度(Tsuc)と、前記給気冷却器出口側に配設された第2給気温度センサ及び、給気圧力センサにて検知された前記予混合ガスの給気温度(Ts)と、給気圧力(Ps)とに基づいて、前記ドレンバルブを開閉制御するドレンバルブ制御手段を備えたことを特徴とする請求項1記載のガスエンジンの給気冷却器のドレン装置。
  4. 前記ドレンバルブ制御手段は前記給気冷却器出口側の給気温度(Ts)及び、前記給気圧力(Ps)を前記給気冷却器及び、前記過給機によって一定に制御すると共に、該一定の前記給気温度(Ts)及び、前記給気圧力(Ps)時において、前記給気冷却器出口側での予混合ガスの相対湿度が100%となる場合の過給機が吸込む予混合ガスの基準吸込み温度(Tstd)をマップに基づいて算出し、該算出した基準吸込み温度(Tstd)に対し、実際に検出された前記吸込み温度(Tsuc)の検出値が低い場合には、前記ドレンバルブを閉止状態に維持するドレンバルブ制御手段を備えたことを特徴とする請求項3記載のガスエンジンの給気冷却器のドレン装置。
  5. 前記気液分離装置の前記捕集部は前記過給機の給気系上流側の給気路形成部材に対し重
    力方向下側に位置していることを特徴とする請求項2記載のガスエンジンの給気冷却器のドレン装置。
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